《起源》作者：巴赫拉姆·莫巴舍尔
上一节，我们介绍了宇宙的结构和它持续膨胀的原因。这一节，我们把目光放在恒星和行星身上，看看它们在宇宙中经历了怎样的一生。
星系的起源
在宇宙中，所有的恒星都位于某个星系之内，没有哪一颗是独立存在的。目前科学家可以观测到的宇宙范围内，有超过1千亿个星系，平均在每个星系里又有1千亿颗恒星。即便是最小的星系，也有着多达数亿颗的恒星。
星系的数量繁多，但大体上可以分成两大类，一类是螺旋星系，另一类是椭圆星系。想要区分它们也很简单，只要是有圆盘的就是螺旋星系，没有圆盘的就是椭圆星系。一个星系是否拥有圆盘，这是早在宇宙大爆炸时就决定的了。
在宇宙大爆炸发生时，宇宙产生了大量的初始气体云，这些初始气体云汇集起来，就形成了原星系。在原星系阶段，初始气体云会根据自身的自转速度和密度的不同，演变成两种完全不同的星系。如果初始气体云有自转，它就会像涡流一样加速收缩，形成圆盘形状的螺旋星系。反之，如果初始气体云没有产生自转，就不会形成圆盘，就会成为不规则团状的椭圆星系。
是否拥有圆盘，是我们分辨螺旋星系和椭圆星系的方法。而这两种星系最本质的区别在于，螺旋星系可以生成恒星，椭圆星系不能生成恒星。有些椭圆星系里虽然拥有恒星，但却不是它自身生成的，而是通过与螺旋星系发生碰撞时获得的。
螺旋星系可以生成恒星的关键，就在这些圆盘身上。我们所看到的每一颗恒星，都是在星系圆盘的中心点中迸发出来的。
恒星的诞生
从气体云到恒星的诞生，大致需要走完四个步骤。
第一步是形成气体云，严格讲是形成带有自转的气体云。这些气体云中的氢元素和氦元素是构成恒星的基本要素，它们也是宇宙大爆炸初期释放出来的原始气体。不过，除了最早出现的那批原始气体云外，一些后来形成的气体云中除了拥有氢和氦，还存在着大量的重元素尘埃，这些尘埃来自于其他星系之间的碰撞，你可以把它理解为是两个星系碰撞产生的碎屑。这些碎屑飘入宇宙空间，最终被气体云吸纳进来。
正是因为这些尘埃的存在，遮挡住了恒星诞生之初释放的光芒，导致天文学家如果想要观测恒星的诞生，必须通过红外线或者亚毫米波频，才能避开尘埃颗粒的遮挡，观察到气体云内部恒星形成的过程。
第二步是从气体云到原恒星。在这个过程中，螺旋星系的气体云会在引力的作用下持续坍缩，在我们看来这个过程就像涡流螺旋一样。坍缩会让气体云的内部温度随之降低，而低温又会加剧气体云的坍缩速度。随着坍缩的持续进行，气体云的内部会形成一个十分致密的核，这个核便是原恒星。
我们虽然把气体云的坍缩比作水里的涡流，但是气体云坍缩的规模却是远远超乎人类想象的。拿我们的太阳来举例，想要形成一颗和太阳一样大的恒星，至少需要质量是太阳100倍的气体云。
第三步是原恒星转变为恒星的过程。这个过程中，外部的气体云不断向原恒星收缩，导致原恒星的核密度不断增加，核温度随之开始上升，最终核温度达到了足以引起核聚变的程度，也就是说，原恒星核中的轻元素开始结合成更重的元素，同时向外释放能量。这时，原恒星就会蜕变为一颗真正的恒星了。
从原恒星走到恒星的过程看似转瞬即逝，实际上则要漫长的多。还是以太阳为例，太阳从原恒星转变为恒星，用了大约3千万年。但是对于质量比太阳大得多的恒星来说，这个过程可能只需要100万年。具体的时间长短取决于恒星的质量，质量越大的恒星需要的时间越短，因为其引力更强，气体云的收缩效率更高，耗时也就会变短。
恒星初步形成之后会进入到氢燃烧阶段，这也是恒星诞生的最后一步。在这个阶段中，恒星内部开始稳定地进行核聚变反应。恒星中的氢会燃烧成氦，同时向外释放能量。我们所感受到的太阳光的温度，就来自于太阳中氢燃烧提供的热量。至此，恒星进入了稳定形态。
我们知道恒星的质量都十分巨大，但其实恒星的质量也是有上限的，并不是想多大就有多大。科学家推测，恒星的质量不会大于太阳的150倍。这是因为，想要恒星的质量变得更大，就需要气体云坍缩得更快，形成密度更高的原恒星核。但是，如果气体云坍缩得过快，会导致原恒星核过早发生核聚变，而内部核聚变释放的能量会把原恒星外部气体云推出去，这样就终止了恒星的形成。
不过，恒星的质量也不能太小，因为如果气体云的质量太小，核密度不够高，就不能产生足以出发核聚变的温度。科学家推算，恒星的最小质量不能小于0.08倍的太阳质量，这相当于是80个木星的总质量。
恒星的演变与死亡
对恒星来说，质量是一个至关重要的数字，因为它决定了一颗恒星的寿命长短。总的来说，质量越大的恒星，寿命就越短，质量越小的恒星，寿命反而越长。这又是为什么呢？
恒星的寿命是由它体内积蓄的氢燃料决定的，当恒星星核里的氢燃烧殆尽后，恒星也就死亡了。质量越大的恒星，它的半径也越大，核聚变反应越强烈，它需要消耗的氢燃料自然也更多。因此它会比质量更小的恒星率先耗尽自己的燃料。
当氢燃料刚刚用尽时，大质量恒星的星核内部还有着比较高的温度。在高温的作用下，恒星内比较轻的元素会通过核聚变，合成碳、氧和其它一些更重的元素。同时，恒星的温度也会随着核聚变而上升，更高的温度会让碳、氧等元素继续发生核聚变，生成比它们更重的元素。这个过程会一直持续到铁的生成为止。这时，整个恒星星核由最重的铁和一些比较轻的元素组成。
之所以恒星内部的核聚变会在铁元素这里止步，是因为铁的原子核是所有元素里最稳定的，无法和其它元素聚合并释放能量。
当大质量恒星的核聚变生成到铁以后，由于不再继续发生核聚变向外释放能量，此时的恒星会在引力的作用下发生坍缩，星核内部新形成的元素会在坍缩中被瓦解，它们最终会被分解成质子、中子等基本粒子。
在大质量恒星生命的最后阶段，它的星核内部充斥着密度极高的中子。这些中子会穿过恒星的重元素外壳，形成强大的冲击波。冲击波能制造出巨大的爆炸，释放出耀眼的光芒，因此被称作“核坍缩超新星”。在超新星大爆炸后，大质量恒星就来到了生命的终点。
然而，整个爆炸过程并不会影响到恒星的星核，只会把恒星外层包裹的重元素外壳炸飞，所以，大质量恒星最终会演化成中子星。中子星的体积非常小，直径大约只有20千米，
如果一个中子星的质量超过了太阳的3倍，它内部的引力就会促使它进一步开始坍缩，此时的中子星内部除了引力之外几乎没有其他任何力的作用，在引力强大的作用下，就连周围的光也会被吸进中子星。这就是我们常说的黑洞。所以，黑洞其实并不是一个平面上的洞，而是一个球形的实体。
好，说完了大质量的恒星，我们再来说说像太阳这样的小质量恒星。小质量恒星在耗尽了氢燃料以后，星核内部也会发生核聚变，生成更重的元素，但不会像大质量恒星一样生成到铁元素，而是在生成到碳元素以后就止步了。这时，恒星会形成一个碳核，它的大小差不多跟地球相当，质量只剩下原来的一半。同时，在碳核的外部会形成白色的表面，因此被称作“白矮星”。白矮星就是小质量恒星生命最后的形态。
行星的起源
和恒星相比，我们对太阳系以外的行星的了解要少很多。这是因为行星本身不发光，体积比恒星也要小很多，它们几乎都被掩盖在母恒星的光芒之下。
不过，通过对太阳系内行星的观测，我们依然能够推测出有关行星的一些规律和特性。
在太阳系中，拥有两种不同类型的行星，分别是体积相对较小的石质行星，比如地球和火星，它们统称为类地行星。还有一种是体积较大的气体行星，比如木星和土星，它们统称为类木行星。
类地行星形成于气体云的内部，因此它们的位置也更靠近恒星。在太阳系中，最靠近太阳系的四颗行星——水星、金星、地球和火星就都是类地行星。由于靠近太阳，所以类地行星所处的区域温度也比较高，只有岩石和金属才能在这里固化，所以它们都是石质的。而在气体云中，这些岩石和金属元素含量其实非常少，所以类地行星的体积总是相对较小的。
类木行星形成于气体云的外层，那里离太阳比较远，所以温度也比较低，气体在低温的作用下发生冷凝，因此在类木行星中存在着很多的冰。凝结的冰核产生的引力会继续吸引周围的氢气和氦气，所以类木行星的体积会显得比较庞大。但是如果和太阳的距离太远，那里的气体云密度太稀薄，也就没有足够的气体去形成较大的行星。冥王星就是因为距离太阳太远，相比天王星和海王星又太小，所以才被“开除”出了行星的行列。
在太阳系中有一条隐形的冰冻线，在这条线以内的区域，只有岩石和金属才能够凝结，而在这条线以外的区域，比岩石和金属更轻的气体也能发生凝结。这条冰冻线就位于火星和木星的轨道之间，它恰好分开了类地行星和类木行星所在的区域。
在太阳系中还存在着小行星和彗星。小行星和类地行星相似，也是石质的，只不过体积要小了许多，它们大量存在于火星和木星之间，天文学家将这片区域称为小行星带。
彗星则是存在于太阳系外层的一种天体，它们和类木行星一样由冰和气体组成，只不过体积更小。有天文学家推测，冥王星就是由许多彗星汇集起来形成的。
事实上，科学界对于行星的定义并没有给出明确的标准，而只给出了相对宽泛的描述。按照国际天文联合会在2006年公布的定义，行星应该是围绕太阳旋转，有足够大体积，还能够吸引周围一切比它小的天体。由于这一定义完全与科学无关，只有一些基础的描述，所以在未来的某一天，我们对行星的定义或许会有很大的转变。
